超光速中微子？

（《新发现》专栏，勿转）

最近几个礼拜物理界最热门的话题是超光速中微子。即使十月四日公布了诺贝尔物理学奖，也没有将这个话题冲淡。

由于这个话题的性质，我没有其他选择，只有在标题“超光速中微子”后者打上问号。因为，如果位于意大利Gran Sasso的这个简称为OPERA实验的结果真是对的，将引起物理学的革命。在科学中，流传着这样一句话：“非同寻常的断言需要非同寻常的证据”。

一般人认为，爱因斯坦的狭义相对论禁止超光速现象出现。这个一般观点是正确的，但却不仅仅是相对论的结果。在相对论中，光速处于理论中的一个中心位置，爱因斯坦由两个基本假设导出他的狭义相对论框架。第一个假设是惯性原理，即存在无数多个相对匀速运动的惯性系，在这些参照系中，物理学定律看起来都一样。这个假设起源于伽利略，例如伽利略说，在一个匀速运动的船上，关在船舱中的人不会觉得船在走，不论做什么实验都不会得出船在走的结论，因为物理学定律和静止不动的船中是一样的。爱因斯坦的第二个假设在当时看起来最为大胆，光速是不变的，即不论在哪个惯性参照系中，光速都是一样的。爱因斯坦由此出发，导出他的狭义相对论中的几乎所有结果，例如速度相加定律、能量和动量的关系。特别的，当一个有静止质量的物体运动起来时，其能量随着速度接近光速时无限地增大。也许这是人们误认为相对论禁止超光速出现的原因。

但是，在相对论中，可以存在快子。这些粒子的速度都大于光速，而且与普通粒子相反，快子的速度越大，能量越低。当速度变成无限大时，能量变成零。当快子的速度接近光速时，能量也变成无限大。所以，光速是某种极限：低于光速的粒子的速度不能向上越过它，高于光速的粒子不能向下越过它。

当人们考虑量子论时，快子的存在就引起很大的问题。既然快子的速度越大能量就越低，那么一个快子可以通过辐射其它粒子将速度变大能量变低，这种过程会引起灾难性的后果，就像雪崩一样。进一步，在量子场论中，快子也有对应的场，这种场一旦激发起来，也会产生灾难性的后果，在场论中，这叫不稳定性。哈佛大学的Coleman和Glashow曾研究过在场论中如何破坏爱因斯坦的狭义相对论，在专业领域，这叫做洛仑兹对称性破坏。在他们的理论中，原则上可以存在超光速的现象而不带来灾难性的后果。

现在回到OPERA的实验。这个实验利用在欧洲核子中心产生的较高能量的中微子来测量中微子的速度的。这些中微子的能量大约是两百亿电子伏特，也就是相当于20个静止质子的能量。中微子是通过质子打在石墨产生的。中微子产生后飞往位于Gran Sasso山下的地下实验室。两地距离大约是730公里，实验组声称，这个距离他们通过精确的GPS帮助可以精确测量到误差只有20厘米。通过测量距离和中微子飞行的时间，他们平均一万六千多个事例后得出结论，中微子的速度比光速快了大约四万分之一。或者说，中微子比预期到达的时间平均早了60纳秒。

这不是一个很大超越，但还是超过了光速。光速是被精确测量的最好的物理常数之一，爱因斯坦的假设光速不变也是被精确检验过的（例如可以通过光子的质量来检验。粒子物理实验的结果是，光子的质量最大不超过10的负14次方电子伏特），所以，在1983年，光速本身被拿来作为一个标准单位，例如定下光速和时间，我们就可以定义长度单位。1983年的光速定义是299792458 米/秒，这样，当时间被原子钟定义了之后，米的定义就是光在1/299,792,458 秒内所走的距离。OPERA的实验应该内在地用了这个定义。

OPERA的实验是在9月22号发布的，正式论文出现在23号。那天一早我在微博上就收到很多询问，开始时我还不相信，到了看到ScienceNews我才相信了。当时我在听一个物理演讲，演讲者来自欧洲核子中心，我就提问，中微子超光速这个实验是不是实有其事？得到了肯定回答后，我就看到了OPERA网上的论文。

很快，我和一位前学生开始讨论这个问题。我们觉得实验本身还有待美国和日本类似的实验来验证，我们也持很大的怀疑态度，但万一实验结果经得起检验，那么事情就不一般了。我们讨论了几个简单的可能，例如额外维，例如快子，发现快子说不能解释1987年发现的超新星，那一年不但在光学上看到了这颗著名的超新星，也探测到了不到20个来自超新星爆发的中微子，能量都很低。中微子只比光子早3小时左右探测到，这与OPERA结果不符合。如果中微子超过光速四万分之一左右，鉴于超新星距离我们超过16万光年，那么超新星发射的中微子该提早4年左右到。如果OPERA的结果是正确的，只能假定超新星的低能中微子不是快子（早一点到是其他原因，例如光开始是通过媒介较慢，或光子产生较晚）。这样的话，要修改狭义相对论就是不可避免的了。我们在几天之后就写了一篇论文。

在写本文时，OPERA的实验结果公布了两个礼拜，理论物理学家们已经写了大约50篇左右的论文。这些论文多数在假设实验是正确的前提下用理论解释实验。有一些论文指出可能出现的问题，从而OPERA的结论是站不住脚的，例如Glashow本人指出快子中微子会辐射从而很快降低能量，与OPERA探测到的能量矛盾。也有文章反驳Glashow的。总之，好戏正在上演，直到我们真正了解中微子到底超光速了没有那一天。如果真的超了，物理学不能避免一次革命。

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